电动汽车电动机驱动技术及其发展课件

1、电动汽车电动机驱动技术及其发展 电动汽车概论课程报告摘要通过查找大量与电动汽车车用电机及其驱动系统内容相关的文献后，本文主要从电动汽车车用电机及其驱动系统的技术，中国车用电机及其驱动系统的发展现状，国外车用电机及其驱动系统的发展现状，电动汽车电动机驱动技术国际发展趋势，电动汽车行业前景来这几个方面来分析研究电动汽车电动机驱动技术及其发展状况。通过了解以下内容目的是发现我国电动汽车车用电机存在的问题，提升我国电动汽车的车用电机及其驱动系统的技术，从而更好的与世界接轨。关键词：混合电动汽车，电动机，驱动技术目录第一章 绪论 11.1电动汽车述1 1.1.1电动汽车的分类及特点1 1.1.2电动汽车

2、的国内外发展情况21.2本文研究的目的意义及主要内容31.2.1本文研究的目的和意义3 1.2.2本文研究的内容4第二章 电动汽车驱动技术 5 2.1车用永磁电动机控制技术5 2.2驱动电机及其控制器5 2.2.1驱动电机类型及其发展5 2.2.2驱动电机特点及其分类62.2.3 我国驱动电机及其控制器主要存在的问题72.3 国外驱动电机及其控制器的发展现状9 2.4 我国驱动电机及其控制器的发展现状9 2.5 电动汽车驱动技术国际发展趋势 13第三章 电动汽车行业的发展前景183.1我国电动汽车发展的政策性建议183.2我国电动汽车发展战略18结论18致谢20参考文献.21第一章 绪论目前，

3、电动汽车以其节能、低污染的特点已经成为下一代汽车的发展方向。通过了解以下内容有助于发现我国电动汽车车用电机存在的问题，提升我国电动汽车的车用电机及其驱动系统的技术，从而更好的与世界接轨。11电动汽车概述电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽车EV(Electric Vehicle)，混合动力电动汽车HEV(Hybrid ElectricVehicle)和燃料电池汽车FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)三种类型 。电动汽车的出现得益于19世纪末电池技术和电机技术的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，1873年英国人Robert D

4、avidson制造的一辆三轮车，它由一块铁锌电池向电机提供电力，这被认为是电动汽车的诞生，比我们现在常见的内燃机驱动的汽车早出现了13年。到了1881年，法国人GustavTrouve使用铅酸电池制造了第一辆能反复充电的电动汽车。此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。进入20世纪以后，由于大量发现石油，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进步，电动汽车则由于电池进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞争而逐步被燃油汽车所取代。20世纪60年代以后，由于汽车数量的骤增和同益严重的环境问题，给人类的健康和生存带来了严重威胁，再加上70年代后的石油危机，各国都努力寻找石油的替代能

5、源，电动汽车的发展又成为了人们关注的热点，取得了突飞猛进的发展。电动汽车具有传统燃油汽车无可比拟的优点，比如：电动汽车噪声低；污染物排放可以减少97；能源多样化：能效高，电动汽车能量利用率为178，燃油汽车的能量利用率仅为103，可节省大约40的石油。同时电动车由于利用电力这种可再生资源作为驱动力，对于资源的节约具有重要意义，所以电动汽车将成为21世纪最有潜力的交通工具。1.1.1电动汽车的分类及特点电动汽车一般分为三类：纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车，都处于不同的发展阶段。1纯电动汽车纯电动汽车一般的理解是从车载蓄电池获得电力，以电机驱动的各种车辆。优点是零排放，但价格偏高，适合

6、短距离行驶。2混合动力汽车混合动力电动汽车(HEV)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(AuxiliaryPower Unit，简称APU)，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池)组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。较之纯电动汽车，HEV具有如下的优点：(1)由于有原动机作为辅助动力，电池的数量和质量可减少，因此汽车自身重量可以减小。(2)汽车的续

7、驶罩程和动力性可达到内燃机的水平。(3)借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。(4)在内燃机输出功率大于行驶要求时，可以将多余的能量带动电机发电，实现能量回收，节省电力。3燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车(FCEV)是利用燃料电池中氢气与氧气发生反应产生的电力作驱动力的电动汽车。燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。常用的氢氧燃料电池装置从本质上说是水电解的一个“逆”装置。燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置

8、。燃料电池的原理由英国的WGrove于1839年提出，直到20世纪美国宇宙飞船使用燃料电池，该理论才达到实用水平并开始走向民用。通过燃料(氢气、甲醇等)中的氢在电池内部与空气中的氧发生反应，生成水的同时产生电流。目前燃料电池汽车成本较高，暂时还未大面积推广。1.1.2电动汽车的国内外发展情况欧美国家面对原油价格的猛涨使新能源的开发利用同渐升温，大力发展电动汽车尤其是纯电动汽车已成为各国关注的焦点。目前，很多国家尤其是欧美、日本等国都将电动汽车的研发列入政府计划。如美国政府与三大汽车公司(克莱斯勒、福特和通用)合作实施的新一代汽车合作计划(PNGV)和大燃料电池汽车(FreedomCAR)协作计

9、划，推动美国汽车技术革命、开发新一代汽车。欧盟也制定了电动汽车及其与能源相关的发展计划：如框架(FP)系列计划，欧盟燃料电池研究发展示范计划，欧盟燃料电池巴士示范计划和欧洲电动汽车城市运输系统计划等馏，3。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，同本居世界领先地位。日本的丰田和本田两家汽车公司已批量生产销售混合动力汽车。1997年12月，丰田汽车公司首先在同本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，现在已经在全世界20多个国家上市销售，截止到

10、2007年11月，在全世界的销量已经突破了125万辆，据估计由此产生的抑制二氧化碳排放效果将达到500万吨。本田汽车公司开发的混合动力汽车也投放市场，供不应求。日产汽车公司也已经于2006年向美国市场销售混合动力汽车。日本还设定了在2010年之前在国内普及5万辆燃料电池汽车的目标。法国是最积极研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府、法国电力公司、标致一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同承担开发和推广电动汽车的协议，共同合资组建了电动汽车的电池公司。德国政府投入大量资金用于电动汽车研发，指定奔驰汽车公司和大众汽车公司合资成立科技开发机构。瑞典的VOLVO公司，意大利的菲亚特公司等不惜投入巨额资金，

11、研发新一代电动汽车。丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。日前，德国盖尔森基兴应用技术大学汽车研究中心预计，今年欧盟国家将卖出8万辆混合动力汽车和纯电动汽车，到2025年将增加到1620万辆。并断言，由于电池技术不断改进，成本不断降低，从2010年起，电动汽车将同渐普及。我国在“八五”、“九五”、“十五三个五年计划期间，在电动汽车的研究开发上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果。总体来说，中国电动汽车的研发与国外基本处于同一起跑线上，技术水平与产业化虽然有一定的差距，但是相差不大。目前，我国电动汽车已经进入市场化的关键时期。在混合电动汽车领域，产业化生产的技

12、术准备工作已经初步完成。东风电动汽车公司研制的混合动力公交客车已在武汉投入运行，一汽集团研发的混合动力客车也已下线，东风、长安、奇瑞和一汽的混合动力轿车从2006年起陆续投放市场。在纯电动汽车领域，部分制造商已经实现了小批量生产，开发的产品通过了国家汽车认证。2005年4月，由天津自主开发生产的6辆“幸福使者”纯电动汽车出口美国，迈出了我国电动汽车产业化的重要一步。同时，国家电网参与电动汽车的推广，国家电网公司已按照其所制定的“十一五期间详细的车辆替换和运行规划以及电动电力工程车辆替换的优化设计方案，在北京、上海、天津、山东、浙江、湖北、湖南等省市试点区域开始付诸实施。在燃料电池电动汽车领域，

13、我国已经建立了燃料电池电动汽车产品技术开发平台和演示验证试验平台。清华大学、同济大学已分别开发出与国际水平相接近的燃料电池电动客车和轿车，整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等均达到国际先进水平。北京国际马拉松赛期间，由清华大学研制的燃料电池城市客车承担比赛期间的服务工作。1.2本文研究的目的意义及主要内容1.2.1本文研究的目的和意义出于对能源和环境的考虑，电动汽车技术在各国政府以及各大汽车公司的推动下得到了迅速发展。混合动力汽车结合了传统汽油汽车和电动汽车的优点，凭借其优良的性能，已进入应用阶段。而作为电动汽车动力源的电池，其性能好坏直接影响电动汽车的性能和寿命。世界各大汽车公司纷

14、纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池，投入很大的力量致力于研究和发展先进的电动车能源系统，建立了专门从事电池开发及其性能研究的实验室。动力电池作为电动汽车的能量来源，其性能是否能够满足电动汽车的动力需要，关系到电动汽车的驾驶性能和电动车事业的推广。对电池安全性和可靠性的测试对车辆的安全运行也至关重要。基于以上考虑，本文设计了相应的电池性能测试方案，所研究的电池性能测试系统可以测试动力电池在不同充放电率和不同温度下的运行状况，实现各种动力电池性能测试实验，收集相关电池信息，为电池性能评估提供相应的依据，估算SOC，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，提高电池使用寿命，而且可以对故障电池做出

15、早期预测，防止因单体电池损坏而未能及时发现造成的整组电池寿命降低。1.2.2本文研究的内容本文主要从电动汽车车用电机及其驱动系统的技术，中国车用电机及其驱动系统的发展现状，国外车用电机及其驱动系统的发展现状，电动汽车电动机驱动技术国际发展趋势，电动汽车行业前景来这几个方面来分析研究电动汽车电动机驱动技术及其发展状况。第二章 电动汽车驱动技术2.1车用永磁电动机控制技术拥有TMS320L F2407和TMS320L F2812两个控制硬件平台。软件平台采用数字化矢量制技术，具有如下特点：具有多种控制模式，转矩控制、转速控制和功率控制；转速控制精度恒转速20 r/min，恒力矩控制精度5%T n(

16、T n是产品额定力矩)；转矩响应速度0.3 ms。具有上电自检功能，能够进行弱电系统和IGBT强电系统的检测，并记录故障信息。具有参数在线整定功能，可以通过上位机编程控制修改DSP中的控制参数，如采样周期、P I参数等。具有软件保护功能、超速保护、过温保护、堵转保护和过载保护等，能够根据采样智能判断工作状态，分辩干扰信号与真实保护信号。能够自动判断采样的精度，根据误差动态的进行误差修正。具有故障诊断功能，并通过总线反馈到上位机。在高速弱磁控制方面，可以达到1:10的恒功率区，适合于宽调速范围的调速系统。具体性能如下。适用于多种场合的异步、永磁电动机，实现宽恒功率区的调速，实现精确的功率控制，恒

17、功率5%Pn(Pn是产品额定功率)。动态性能好，调节速度快，能够在0.5 ms内达到稳定。可稳定控制最高频率达1500 Hz。高速位置角动态修正，角度误差5 deg。基于双机械端口电机的电力无级调速系统利用双机械端口电机的两个机械自由度和两个电端口的控制，实现无级调速，实现内燃机工况的最优化，是具有原始创新的技术，打破国外技术垄断。初步解决了电动机设计与控制，内转子冷却，内外电动机解耦等核心问题。EVT混合动力汽车动力性能测试结果如表1所示。 表12.2驱动电机及其控制器2.2.1驱动电机类型及其发展驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机

18、。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括：异步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。车用电机的发展趋势如下：(1)电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。(2)电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。(3)电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与变速箱集成）和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。驱动电机国外发展情况：近年来美、

19、欧开发的电动客车多采用交流异步电机，国外典型产品技术参数请见表2。为了降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料，电机恒功率范围较宽，最高转速可达基速的22.5倍。日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖3123kW，电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的5倍。日本近几年开发的电动汽车驱动电机概况。2.2.2驱动电机特点及其分类 电动汽车对驱动电机系统的要求至少包括： （1）基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停 等复杂工况； （2）基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求； （3）全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程； （4）结构坚

20、固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性； （5）低成本及大批量生产能力。 电动汽车最早采用了直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但重量大,需要定期维护。随电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,包括异步电机及永磁电机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能,目前已逐步取代了直流电机控制系统。特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步,用于驱动的永磁同步电动机得到了飞速发展。电动汽车中常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，其特点如表2所示。 表2其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及

21、客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。特别是,由于具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机。日本丰田公司的prius采用的永磁同步电动机功率已达到了50kw,新配置的suv车型所用电机功率甚至达到了123kw。与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的环境适应性。2.2.3 我国驱动电机及其控制器主要存在的问题 (1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异

22、步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。(2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。(3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。(4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体

23、水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。(5)永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。 (6)电机控制器关键部件电机控制器用位置转速传感器多为旋转变压器，目前基本采用进口产品，我国部分公司已具

24、备旋转变压器的研发生产能力，但产品精度、可靠性与国外仍有差距。IGBT基本依赖进口，价格昂贵，国产车用IGBT尚处于研究阶段。我国驱动电机及其控制器存在的主要问题(1)电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱，依赖进口，如硅钢片、电机高速轴承、位置转速传感器、IGBT模块等。进口产品成本高，影响电机系统产业化。(2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低，体积、重量相对偏大。(3)我国车用电机系统尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，缺乏自动化生产线，造成产品可靠性、一致性差。产业化规模较小，成本较高。(4)现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，且不完善。如：不同类型电机

25、系统采用同一检测标准，缺乏可靠性、耐久性评价方法等。我国驱动电机及其控制器存在的主要问题基本上分为三类，第一类是完全由蓄电池推进的纯电动汽车；第二类是混合动力电动汽车，它的动力来自两个途径，一个途径是由发动机提供的，另外一个途径是由电动机提供的；第三类是燃料电池电动汽车，它在驱动方面是电能驱动，但是能量的载体是燃料电池H2。典型的电动汽车驱动系统，由电池供电给逆变器，通常会有一个变速箱来带动整个车辆。这个控制系统带有传感器，控制器现在都发展成数字化，电动机的变化不是很多。整车控制器的开发包括软、硬件设计。核心软件一般由整车厂研发，硬件和底层驱动软件可选择由汽车零部件厂商提供。(1)国外整车控制

26、器技术趋于成熟国外大部分汽车企业在电动汽车领域积累充足，控制策略成熟度高，整车节油效果良好，控制器产品通过市场检验证实了其可靠性。(2)汽车电子零部件企业积极开展整车控制器研发和生产制造。各汽车电子零部件巨头，如德尔福、大陆、博世集团都纷纷进行整车控制器研发和生产。部分汽车设计公司也为整车厂提供整车控制器技术方案，如AVL、FEV、RICARDO等，在电动汽车整车控制器领域也有不少成功的案例。(3)控制器日趋标准化控制器的标准化已引起相关企业的关注。由全球汽车制造商、部件供应商及电子、半导体和软件系统公司，联合建立了汽车开放系统架构联盟，形成了AUTOSAR（汽车开放系统架构）标准，简化了开发

27、流程并使ECU软件具有复用性，是控制器开发的一个趋势。我国整车控制器存在的主要问题(1)应用软件方面多数停留在功能实现，软件诊断功能、整车安全控制策略、监控功能均有待优化和提高。(2)我国电动汽车处于样车研发和示范运行阶段，基础数据库不完善，影响整车控制器设计水平。(3)部分企业能根据V型开发流程（一种软件和产品开发工具）引进相关的设备和软件，普遍使用通用开发工具进行二次开发；现有工具偏重于前期开发，缺少用于生产制造和售后服务的工具，不利于产品的产业化发展。(4)国内企业能够完成整车控制器硬件结构设计，但由于我国芯片集成力量比较薄弱，制造能力较差，可靠性和稳定性仍有很大的提升空间。(5)目前各

28、整车企业控制器接口和网络通讯协议定义互不相同，造成控制器之间的通用性和复用性差，不利于控制器的产业化和规模化。2.3 国外驱动电机及其控制器的发展现状 2.4 我国驱动电机及其控制器的发展现状(1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。(2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产

29、能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。(3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。(4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。(5)永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术

30、。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。“863”计划中我国整车控制器主要是以高校为依托进行研究，如清华大学、同济大学、北京理工大学等，目前已初步掌握了整车控制器的软、硬件开发能力。产品功能较为完备，基本可以满足电动汽车需求，已经应用到样车及小批量产品上。部分整车企业与国外公司进行合作，如FEV、RICARDO。通过联合开发，吸收国外相关技术和经验，增强自主开发能力。目前各厂家基本掌握整车

31、控制器开发技术，但技术积累有限，水平参差不齐。我国控制器硬件水平与国外存在一定差距，产业化能力相对不足。大部分企业推出量产电动汽车产品时更倾向于选择国外整车控制器硬件供应商。另外，控制器基础硬件、开发工具等基本依赖进口。经过多年探索与努力，中国电动汽车电池、电机、电控三大关键技术相继取得突破。业内专家普遍认为，中国电动汽车技术群体性突破的时期已经到来，电动汽车即将大规模进入市场。目前，上海、北京、武汉等地已依托国有大型汽车企业成立了电动汽车股份制公司，这些地区正在加速建设产业基地。科技部部长徐冠华说，未来五年将努力把电动汽车推向市场，大型科研项目均以产品和企业为中心，尽快实现电动汽车的产业化。

32、据中国国家电动车专家组组长黄佳腾介绍，电池、电机、电控系统一直是制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。近年来，中国在电动汽车整车设计、驱动系统、电池管理系统，尤其是锂离子电池、燃料电池等高性能动力电池的研制方面取得重大进展，在某些方面已处于世界领先水平。在高性能电池方面，深圳雷天绿色电动源公司开发的锂离子电池续驶能力达到三百公里，最高时速可达一百二十公里，可充电次数一千次以上，单台车电池成本四万元左右；深圳中星汽车制造公司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的十一倍，能量比功率可达每千克一千瓦时，充电仅需十分钟就可以完成，寿命可达十年以上，价格为锂电池的一半，体积为锂电池的三分之一，均展

33、示出明显的商业化前景。此外，东风汽车公司与中科院大连化物所联合开发的质子交换膜燃料电池、清华大学等单位开发的新型电池材料等都取得了重大突破。在电机与电控系统方面，华中科技大学开发的全数字化开关磁阻电机、中船总七一二所开发的永磁无刷电机、中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用的七点五千瓦轮毂电机、哈工大开发的EV九六至十六点八千瓦多态轮毂电机，都是中国电动汽车驱动电机技术的重大突破。华中科技大学李培根教授认为，相对于西方发达国家传统汽车工业的巨大惯性，中国汽车工业向电动汽车转型的包袱要轻得多，实现跨越式发展的动力也强得多。他说，中国在电动汽车关键技术研究方面，与世界先进水平的差距只有八

34、年左右，在有些领域还处于世界领先地位，赶上甚至超过发达国家的机会和可能性很大。电动汽车在中国一直是优先发展的产业。国家高科技发展计划“八六三计划”在启动之初即安排了电动汽车专项，迄今已投入三亿多元支持多项关键技术的研究。 国内外汽车制造商将很快在中国展开激烈的电动汽车市场争夺。目前，一些中国汽车制造商已宣布了2009至2010年的电动汽车发展计划，定价区间在6万、7万元至20多万元。除在市场上已引起广泛关注的比亚迪E6、奇瑞S18车型之外，很多国内制造商也已计划在未来18个月内发布新款电动汽车车型。 电动汽车驱动电机，要求启动、爬坡时高转矩，高速行驶时要求低转矩，要求变速范围大。直流有刷电机、

35、直流永磁无刷电机、交流异步电机、磁阻电机是目前电动汽车驱动电机的主流技术和首选机型，它们有一个不可避开的设备，电子控制设备和微机控制技术，这个构成了电动汽车成本的主要部份之一和技术障碍，目前核心技术掌握在外国人手中。 电动汽车驱动电机不同，其成本也差异甚大，若采用直流有刷电机，车载电源可直接供给电机，使用这种电机采用晶闸管式控制器斩波方式调速。目前电动汽车用直流有刷电机已经能满足电动汽车使用要求，但由于产量有限成本很高，品种规格不多，选择余地较小，晶闸管控制器原采用外国公司如意大利和美国产品，现在可以国产化，成本较高，同时关键元器件均采用外国公司生产和控制。 若用直流无刷电机，其必须与控制器一

36、体制成，成本更高。以调电源脉冲宽度来调电机转速，优点是体积小，重量轻。电机能国产化，控制器的关键元器件均由国外公司生产，成本降下来可能性不大，且目前这种电机与电动汽车一样属研发阶段形不成批量，成本高就在情理之中。 若用交流异步电机作为电动汽车驱动电机，其优点：体积小、重量轻，国产质量不差，由于车载电源系直流电，需将电源经逆变器转换成交流电，汽车电机电压380V左右，功率在几十千瓦不等，其逆变器功率不小，成本也不会低到哪里去，交流电机调速由变频方式调速，交流异步电机采用变频变压控制（VVVF）和磁场定向控制（FOC）也称矩量控制或解耦控制、变极控制。变频控制器国产、进口都有，但关键元器件均为进口

37、。这一领域的应用将是未来变频器厂商关注的重点，一旦以交流异步电机驱动的电动车成为主流，未来市场空间将非常巨大。记者13日在北京市121路电动公交车队总站见到，一辆辆宽敞明亮的公交车安静地停靠在车站里，如果不是车身上“电动汽车”等字样提示，谁也不会想到这些公交车是电动车。作为“科技奥运”北京电动公交车示范运营项目，121路公交车队已有4辆交流电机驱动电动公交车，运营里程最长的车辆已经达到16000多公里。“下一阶段，还将有10多辆电动车参加示范运行。”中国科学院电工研究所电动汽车项目负责人温旭辉研究员说。电动汽车是汽车工业发展的重大新技术，国际上各大汽车集团都在致力于发展这项综合技术并实现产业化

38、。和燃料电池一样，作为电动汽车最关键的部件之一，我国有关部门近年来组织力量对电机驱动系统进行研究和攻关。作为这支攻关队伍中的一支重要力量，中国科学院电工研究所电动汽车技术研究发展中心的研究人员在吸收国内外已有先进技术的基础上，结合我国国情，建立了交流异步永磁同步电机驱动控制技术平台。为促进我国电动汽车电机驱动技术的发展，科学家还牵头编写了我国电动汽车驱动电机系统的两项国标，为推进我国电动汽车产业的发展起到重要作用。 专家指出，虽然是一个具有战略意义的产业发展方向，但当前电动汽车在我国性价比还无法与传统燃油汽车相比，急需政府给予税收等政策支持。 “我们的技术目前主要应用在大车示范运营上，而小轿车

39、的应用更见真功夫。”温旭辉说，电机系统的研究目前正处于工程化和产业化的关键时期，研究发展中心将进一步加快与生产型企业的结合，进一步深化电动汽车电气驱动系统的产业化开发，加速电动汽车电机驱动产品的市场化。 有关专家指出，我国虽然研制出一系列具有自主知识产权的电机驱动系统，但仍然应该在技术深度、产品可靠性和耐久性方面开展深度研究和开发，建议有关部门和单位加大支持力度。其中，电动汽车用驱动电机系统的研究现状为：目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括上述的各种类型电机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖5kw180kw功率范围。部分系统指标（如比功率和系统效率）达到了国际先进水平。系统中应

40、用了矢量控制、直接转矩控制等控制方法,采用了全控型电力电子器件等先进的数字处理器,总线通讯模式等控制技术,对参数辨识,效率优化,死区补偿等专门的问题开展了有针对性的研究,取得了卓有成效的成果,有一大批车辆已在城市道路上进行示范运行。 目前的电动汽车电机有以下几种：（1）永磁无刷直流电机通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置，就可以得到永磁无刷直流电机。需注意到是“直流”这个术语会引起误解，因为它并不是指直流电机，实际上它采用交流方波供电，所以也称为永磁无刷方波电机。它最大的优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题。而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩。佛山照明沈大卫教授给的全称就是“永磁

41、无刷方波力矩电机”。 （2）永磁无刷同步电机用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损，由于采用正弦交流电及无刷结构，又叫永磁无刷交流电机。其优点是高能量密度和高效率，其恒功率区域有更宽的转速范围，并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求。如南车时代的电机。 （3）异步电机驱动系统异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。 异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国），但已被其它

42、新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。最大缺点是最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。 电动汽车电机最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。目前车用驱动电机系统尚需提高的地方（1） 全运行范围内的转矩、转速控制精度,效率最优化;（2） 系统可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有 一定差距;（3） 动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够;（4） 关键材料（如高性能硅钢片，绝缘材料）和关键元器件（如模块，芯片）仍依靠进口，限制了选择余地和成本降低；（5） 尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系。

43、虽然具备了小批量供货的能力,但产品尚未通过ts16949质量体系标准认证。今后仍需要重点研究的内容为：（1）系统的集成化；（2）高性能电机控制策略，电机效率优化；（3）系统热管理；（4）系统失效模式分析，系统可靠性、耐久性预测与快速评估方法；（5）系统电磁兼容，环境适应性研究及试验验证，电机系统成本控制等。2.5 电动汽车驱动技术国际发展趋势与工业应用相比，汽车应用是个不同的概念。工业应用空间不受限制，用标准封装模式来应用还是可行的，但是对于汽车应用来讲，空间是有限的，每一套系统都根据特定车型来订制，尤其混合动力汽车体现非常明显。在可靠性方面，工业应用可靠性很高，但是不管从哪方面讲，工业应用的

44、等级还是不如汽车应用，因为他们的目的是不同的。在工业应用中，主要是保证应用效率的可靠性，但是在汽车应用中，电动机应用系统的可靠性涉及到乘车者的安全，所以可靠性要求非常高。冷却方式上工业应用是风冷，汽车应用是水冷。控制性能方面工业应用多为变频调速控制，其动态性能差，而汽车应用里，需要精确的力矩控制，动态性能好。目前车用电驱系统的发展趋势主要有永磁化、数字化和集成化。永磁磁阻电动机效率高，比功率较大，功率因数高。数字化是电驱驱动系统的核心。电动机系统集成有两种方式，一种是电动机跟发动机结合，一种是电动机跟变速箱结合。还有一种趋势是做电力电子的集成，现在驱动控制器产品中，国际最高水平是17.2 kW

45、。采用混合电力电子集成技术，核心是采用高功能集成模块，采用新型薄膜电容一体化的技术。当前中国新能源汽车中用驱动电动机和电控技术发展的现状可以这样归结：掌握了核心技术，但处于小批量生产。全世界真正做到大批量生产的只有丰田一家。从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方式层出不究，推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。SRD开关磁

46、阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大、噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器增加了结构复杂性、降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，

47、永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中应用。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力，类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善，作为电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。此外，正在研发的热点课题还有：具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统；车轮电机驱动系统；动力传动一体化部件（电机、减速齿轮、传动轴）；双馈电异步

48、电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。下一代汽车电子伺服系统1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司，克莱斯勒、福特和通用，建立了新一代车辆伙伴关系（PNGV，Partnership for a New Generation of Vehicles），目标是开发新一代机动车技术，以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间，美国国家自然科学基金（NSF）资助美国国家电力电子中心（由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建）研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块，提

49、高汽车电子电气部件的可靠性，降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点，增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统（Xbywire）在未来将是十分重要的技术，该技术可将各种独立的系统（如转向、制动、悬挂等）集成到一起由计算机调控，使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善，设计的灵活度也大大增加。目前，电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用，在这个系统中已经削减了相当多的机械部件，如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术，随着这个技术的使用，许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失，而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。驱动电机及控制系统的发展趋势驱动电机系

50、统是电动汽车的核心，未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。目前某些关键材料（如高性能硅钢片、绝缘材料）和关键元器件（如IGBT、DSP 芯片）仍主要依靠进口，限制了选择余地和成本降低，但是相对动力电池而言，驱动电机系统并不是电动汽车发展的障碍。（1）、电机永磁化电机永磁化符合电机驱动系统高效率的需要。永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点，采用矢量控制的变频调速系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。永磁电机的主要材料及部件是钕铁硼磁钢、电工钢和高速轴承。进入21 世纪以来，我国磁性材料产业年增长率超过20%，作为制造电机铁心的材料，电

51、工钢带是使用最普遍的重要磁性材料，是车用电机高效、高功率密度的保障，其成本占到了电机本体成本的20%左右。日本住友电工生产的0.27mm 厚电工钢带已用在混合动力驱动电机上，我国宝钢集团在“863”课题支持下，从2008 年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发，我国车用驱动电机系统将有望采用国产的高效电工钢带。 要保证电动汽车历经20 余万公里、经受严寒酷暑仍然可以运行，车用电机高速轴承仍需要投入开发，目前我国所研制的车用驱动系统大多采用进口的高速轴承。（2）、逆变器数字化在电动汽车中，由燃料电池或蓄电池提供的直流电能，通过一个或多个逆变器将其转换成交流电能驱动永磁电机运动，其中车用电机驱动

52、控制器由逆变器和电机的控制电路构成。目前为止，由于电动汽车的直流电压大多低于600V，逆变器都采用三相两电平结构和1200V 以下的IGBT 模块，其中逆变器的核心器件IGBT 和电容的成本占到了电机驱动控制器成本的50%以上。在混合动力汽车应用中，为了简化冷却系统、降低整车成本，对车用电机驱动系统提出了冷却液入口温度大于105的要求，这个要求除提高了电机绝缘等级和钕铁硼磁钢的等级外，市场上广泛使用的150结温IGBT 不能满足要求，需要使用175结温IGBT，并仔细设计高换热效率的散热器系统。 逆变器控制系统数字化是未来电机驱动技术发展的必然趋势。数字化不仅包括驱动控制的数字化、驱动到数控系

53、统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。随着微电子学及计算机技术的发展，高速、高集成度、低成本的专用芯片以及数字信号处理器(DSP)等的问世及商品化，使全数字的控制系统成为可能。用软件最大限度地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还应该具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。（3）、系统集成化系统集成化符合电机驱动系统降成本的需要。电机驱动系统的集成化包括两个方面:其一是车用电机与发动机集成构成混合动力发动机总成，如本田的ISA 系统；其二将车用电机与变速箱集成，如丰田混合动力系统THS。总之，车用电机与汽车发动机或变速箱集成的方向发展有利于减小整个系统的重量和体积，有效降低系统制造成本。2

54、）将电动汽车驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器、电源和无源器件都集成到标准的模块中构成电力电子组件，这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，能比较有效地减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，尚不能同时有效地降低成本，达到更高的可靠性。（4）面临挑战a技术方面经过“九五”、“十五”、“十一五”对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，我国已开发出具有自主知识产权，满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，初步形成了车用驱动电机系统的小批量生产能力。总体来说，在电动汽车关键零

55、部件方面，电机技术的进步明显，与国际先进的水平相比，但是在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，仍存在较大的差距。主要表现在以下几方面： 由于整车开发的经验积累有限，导致对电机和控制器的可靠性与使用寿命考核办法不明确，可靠性和环境适应性的研究考核不足,控制器、DC/DC的体积、质量普遍偏大,模块化设计不足，插接件标准不统一，需要提高工程化程度,关键电力电子元器件需要进口，成本占到控制器近一半左右.除了需要缩短以上差距，为了进一步增强综合竞争力，还应进行新产品技术和关键共性技术研究：新型电机一体化动力总成；低噪音高效一体化发电机组；耐恶劣环境稀土永磁材料；低成本高性能绝缘材料；高集成度、低成本轴角位置模数转换器等。b资金和人才该领域项目由于和整车开发的周期长，工作量大，各种研发认证的相关费用投入非常多，产业化扩大投资规模时，固定资产投入较大，汽车零部件供应链的回款周期较长，一般需要6个月9个月的账期，流动资金需求较大，资金周转难度较大。因此新产品研制及产业化费用高，投入回报周期长。同时由于该领域是属于边缘和交叉学科，需要有较高的理论知识、较强的实践能力和经验，人才培养的周期也较长。(5